DC—DC开关电源管理芯片的设计

保欢

文章编号：2095-6835（2016）07-0083-01

摘 要：为了使开关电源进一步满足电子产品小型化、轻量化和高功率发展的要求，以DC-DC开关电源管理芯片为主要研究对象，简单介绍了开关电源的控制形式，并对DC-DC电源转换芯片的设计方案和斜坡补偿的注意事项进行了深入研究。

关键词：DC-DC开关电源；转换芯片；PWM比较器；斜坡补偿

中图分类号：TM46 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.07.083

电源作为电子设备的重要组成部分之一，其质量对电子设备的稳定性、安全性和可靠性有重要影响。计算机设备、高效便携式电子产品的小型化、高功耗发展对其电池供电系统的体积、质量、效率等提出了更高的要求。在此背景下，加强对DC-DC开关稳压电源的设计和研究，确保开关电源符合电子产品市场的整体要求，已成为当前电源研发领域需要着重开展的关键工作。

1 开关电源的控制形式

分析DC-DC变换器后可知，该设备通过一个或多个开关器件的切换，可将某个等级的直流输入电压转变为另一等级的直流电压并输出，并在给定的直流电压下设定电路开关器件的导通时间，从而实现对平均输出电压的有效控制。其中，以某一固定频率为依托进行开关切换是有效控制电压的重要方法，通过调整导通区间的长度，可达到准确控制平均输出电压的目的。该方法被称为PWM脉宽调制法。从控制方式的角度看，PWM可分为电压型控制和电流型控制两种。其中，电压型控制的原理为：利用误差放大器输出信号，并对比信号与固定锯齿波，进而产生PWM信号。需要说明的是，电压型控制方式实质上是一种单环控制系统，而电压控制变换器则是有输出滤波电容电压、电感电流两种状态变量的二阶系统。开关电源的电流型控制是指对比误差放大器输出的信号与经过采样获取的电感峰值电流，从而有效控制输出脉冲占空比，并确保输出电感峰值电流随误差电压的变化而变化。与电压型控制不同的是，电流型控制方式为一阶系统，即无稳定条件系统，是在传统PWM电压控制的基础上，通过附加电流反馈环节成为双环控制系统的，其外环由输出电压反馈电路构成，内环则由互感器采样所输出的电感电流构成。

2 模块设计和斜坡补偿的注意事项

2.1 模块设计的注意事项

本文所设计的是一个以PWM控制为主的boost升压式DC-DC电源转换芯片。该芯片是以电压环与电流环双环为基础的异界控制系统的PWM电流模式控制电路，该集成模块包括控制、驱动、保护和检测电路等。具体而言，管理芯片系统分为以下6个模块：①误差放大电路。误差放大器产生误差信号后，相关信号会被传至PWM比较器，即在比较输出的电压样本和内部电压后放大差值时，便会产生误差信号。而误差放大器的Vref引脚为基准电压下的固定比对基准。②PWM比较器。当来自电流的取样信号的强度超过误差信号时，PWM比较器会进入翻转状态，通过复位驱动锁存器断开电源开关，从而实现对开关管开闭状态的控制。③振荡器模块。振荡器电路为芯片系统提供相应频率的时钟信号，从而对变换器的工作频率进行设置。④锁存器。锁存器主要包括RS触发器及相应逻辑模块，通过调整驱动电路的状态，可实现对电源开关的控制。流经锁存器的输出电平会断开驱动电路，而在正常工况下，时钟脉冲期间内的触发器会被设置为高电平。当PWM比较器输出高电平时，锁存器会进行复位操作。⑤软启动电路。当芯片系统启动时，会产生较强的冲击电流，而软启动电路设置的目的在于确保系统无法在全占空比状态下启动，使输出电压在系统允许的上升速度下逐渐升至稳压点，从而确保电压输出的稳定性。⑥电流采样电路和保护电路模块。电流采样电路主要负责为PWM比较器提供斜坡补偿电流，从而确保比较器的翻转复位能顺利实现。而保护电路的设置则是为了对DC-DC电源开关电流进行监控。如果电流超出额定峰值，则电路便会重新进入软启动周期，从而确保芯片系统运行的安全性。

2.2 斜坡补偿的注意事项

当电流控制的电感电流占空比<50%时，扰动电流所引发的电流误差会减小；当占空比>50%时，扰动误差所引发的电流误差会增加。因此，当尖峰电流模式占空比>50%时，系统运行一周期后，扰动信号的强度会增大，进而导致芯片的稳定性下降。此时，需要对PWM比较器进行坡度补偿，从而稳定电路。在坡度补偿后，即使占空比<50%，管理芯片的电路性能仍能得到良好的改善。因此，斜坡补偿能有效提高电路的稳定性，确保电感电流的平均值不随占空比的变化而变化，从而在减小峰值和平均值误差的同时，起到抑制次谐波振荡的目的。

3 结束语

本文简要介绍了开关电源的电压型控制和电流型控制模式，对以PWM控制为主的boost升压式DC-DC电源转换芯片进行了详细分析，并阐述了斜坡补偿的注意事项。研究结果表明，本文所设计的DC-DC开关电源管理芯片（系统）能较好地保证开关电源电压的稳定性和控制开关状态，具有一定的推广使用价值。

参考文献

[1]许幸，何杞鑫，王英.新型高效同步整流式DC-DC开关电源芯片的设计[J].电子器件，2012，03（05）.

[2]李演明，来新泉，贾新章，等.一种DC-DC开关电源的新颖软启动电路设计[J].电子器件，2012，02（07）.

[3]郝志燕，姜岩峰，鲍嘉明，等.DC-DC电源管理芯片中死区时间的研究[J].微电子学，2012，06（19）.

〔编辑：张思楠〕